Vliv orientace výztuže na mechanické vlastnosti vybraných kompozitních materiálů. Jakub Vymazal

Transkript

1 Vliv orientace výztuže na mechanické vlastnosti vybraných kompozitních materiálů Jakub Vymazal Bakalářská práce 2011

2

3

4 Příjmení a jméno: Jakub Vymazal Obor: Technologická zařízení P R O H L Á Š E N Í Prohlašuji, že beru na vědomí, že odevzdáním diplomové/bakalářské práce souhlasím se zveřejněním své práce podle zákona č. 111/1998 Sb. o vysokých školách a o změně a doplnění dalších zákonů (zákon o vysokých školách), ve znění pozdějších právních předpisů, bez ohledu na výsledek obhajoby 1) ; beru na vědomí, že diplomová/bakalářská práce bude uložena v elektronické podobě v univerzitním informačním systému dostupná k nahlédnutí, že jeden výtisk diplomové/bakalářské práce bude uložen na příslušném ústavu Fakulty technologické UTB ve Zlíně a jeden výtisk bude uložen u vedoucího práce; byl/a jsem seznámen/a s tím, že na moji diplomovou/bakalářskou práci se plně vztahuje zákon č. 121/2000 Sb. o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o změně některých zákonů (autorský zákon) ve znění pozdějších právních předpisů, zejm. 35 odst. 3 2) ; beru na vědomí, že podle 60 3) odst. 1 autorského zákona má UTB ve Zlíně právo na uzavření licenční smlouvy o užití školního díla v rozsahu 12 odst. 4 autorského zákona; beru na vědomí, že podle 60 3) odst. 2 a 3 mohu užít své dílo diplomovou/bakalářskou práci nebo poskytnout licenci k jejímu využití jen s předchozím písemným souhlasem Univerzity Tomáše Bati ve Zlíně, která je oprávněna v takovém případě ode mne požadovat přiměřený příspěvek na úhradu nákladů, které byly Univerzitou Tomáše Bati ve Zlíně na vytvoření díla vynaloženy (až do jejich skutečné výše); beru na vědomí, že pokud bylo k vypracování diplomové/bakalářské práce využito softwaru poskytnutého Univerzitou Tomáše Bati ve Zlíně nebo jinými subjekty pouze ke studijním a výzkumným účelům (tedy pouze k nekomerčnímu využití), nelze výsledky diplomové/bakalářské práce využít ke komerčním účelům; beru na vědomí, že pokud je výstupem diplomové/bakalářské práce jakýkoliv softwarový produkt, považují se za součást práce rovněž i zdrojové kódy, popř. soubory, ze kterých se projekt skládá. Neodevzdání této součásti může být důvodem k neobhájení práce. Ve Zlíně

5 1) zákon č. 111/1998 Sb. o vysokých školách a o změně a doplnění dalších zákonů (zákon o vysokých školách), ve znění pozdějších právních předpisů, 47 Zveřejňování závěrečných prací: (1) Vysoká škola nevýdělečně zveřejňuje disertační, diplomové, bakalářské a rigorózní práce, u kterých proběhla obhajoba, včetně posudků oponentů a výsledku obhajoby prostřednictvím databáze kvalifikačních prací, kterou spravuje. Způsob zveřejnění stanoví vnitřní předpis vysoké školy. (2) Disertační, diplomové, bakalářské a rigorózní práce odevzdané uchazečem k obhajobě musí být též nejméně pět pracovních dnů před konáním obhajoby zveřejněny k nahlížení veřejnosti v místě určeném vnitřním předpisem vysoké školy nebo není-li tak určeno, v místě pracoviště vysoké školy, kde se má konat obhajoba práce. Každý si může ze zveřejněné práce pořizovat na své náklady výpisy, opisy nebo rozmnoženiny. (3) Platí, že odevzdáním práce autor souhlasí se zveřejněním své práce podle tohoto zákona, bez ohledu na výsledek obhajoby. 2) zákon č. 121/2000 Sb. o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o změně některých zákonů (autorský zákon) ve znění pozdějších právních předpisů, 35 odst. 3: (3) Do práva autorského také nezasahuje škola nebo školské či vzdělávací zařízení, užije-li nikoli za účelem přímého nebo nepřímého hospodářského nebo obchodního prospěchu k výuce nebo k vlastní potřebě dílo vytvořené žákem nebo studentem ke splnění školních nebo studijních povinností vyplývajících z jeho právního vztahu ke škole nebo školskému či vzdělávacího zařízení (školní dílo). 3) zákon č. 121/2000 Sb. o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o změně některých zákonů (autorský zákon) ve znění pozdějších právních předpisů, 60 Školní dílo: (1) Škola nebo školské či vzdělávací zařízení mají za obvyklých podmínek právo na uzavření licenční smlouvy o užití školního díla ( 35 odst. 3). Odpírá-li autor takového díla udělit svolení bez vážného důvodu, mohou se tyto osoby domáhat nahrazení chybějícího projevu jeho vůle u soudu. Ustanovení 35 odst. 3 zůstává nedotčeno. (2) Není-li sjednáno jinak, může autor školního díla své dílo užít či poskytnout jinému licenci, není-li to v rozporu s oprávněnými zájmy školy nebo školského či vzdělávacího zařízení. (3) Škola nebo školské či vzdělávací zařízení jsou oprávněny požadovat, aby jim autor školního díla z výdělku jím dosaženého v souvislosti s užitím díla či poskytnutím licence podle odstavce 2 přiměřeně přispěl na úhradu nákladů, které na vytvoření díla vynaložily, a to podle okolností až do jejich skutečné výše; přitom se přihlédne k výši výdělku dosaženého školou nebo školským či vzdělávacím zařízením z užití školního díla podle odstavce 1.

6 ABSTRAKT Předložená bakalářská práce se zabývá vlivem orientace výztuže na mechanické charakteristiky sklo/polyesterového laminátového kompozitu. V teoretické části popisuje druhy kompozitních materiálů a jejich rozdělení, metody výroby kompozitních materiálů, druhy vyztužujících vláken a mechanické vlastnosti kompozitních materiálů. V praktické části je bakalářská práce zaměřena na experimentální studium tahových a ohybových vlastností sklem vyztuženého laminátu pod různým úhlem vzhledem k orientaci výztuže. V závěru jsou výsledky shrnuty a porovnány s teoretickými předpoklady z odborné literatury. Klíčová slova: kompozitní materiály, vlákna, pryskyřice, mechanické vlastnosti ABSTRACT Presented Bachelor graduate thesis is consider on influence orientation mechanical characteristics of glass/polyester laminate composite. In the theoretical part describes types of composite materials and their classification, production methods of composite materials, types of reinforcement fibers and mechanical properties of composite materials. In the practical section is concered with experimental research of tensile and flexural characteristics of glass reinforcement laminate under different angle of glass fibers. At the close, the results are summary and compared with theoretical possibilites from literature. Keywords: composite materials, fibers, resin, mechanical properties

7 Rád bych poděkoval doc. Ing. Soně Rusnákové, Ph.D. za odborné vedení, cenné rady a vstřícnost při vypracovávání mé bakalářské práce, panu Ing. Milanu Žaludkovi, Ph.D. za ochotu při provádění měření. Poděkování patří také panu Ing. Vladimíru Rusnákovi a vedení firmy Form s.r.o. za bezplatné poskytnutí materiálu a prostor k výrobě zkušebních vzorků. Prohlašuji, že odevzdaná verze bakalářské/diplomové práce a verze elektronická nahraná do IS/STAG jsou totožné.

8 OBSAH ÚVOD I TEORETICKÁ ČÁST KOMPOZITNÍ MATERIÁLY DEFINICE OBECNÁ CHARAKTERISTIKA KOMPOZITU ROZDĚLENÍ KOMPOZITŮ Rozdělení vláknových kompozitů TECHNOLOGIE VÝROBY KOMPOZITU Ruční kladení (Hand lay-up) Metoda nanášení kompozitu do formy sprayem (Spray lay-up) Metoda vakuového vaku (Vacuum bagging) Vytvrzování v autoklávu (Autoclave) Navíjení (Filament winding) Metoda lisování se vstřikem matrice (RTM) Tažení kompozitních materiálů pultruze (Pultrusion) PROBLEMATIKA KOMPOZITŮ VYZTUŽUJÍCÍ VLÁKNA Druhy výztužných materiálů Druhy vazeb Skleněná vlákna Aramidová vlákna Uhlíková vlákna Přírodní vlákna POROVNÁNÍ VLÁKEN ÚLOHA VLÁKNA V KOMPOZITNÍM MATERIÁLU Namáhání ve směru vláken Tuhost (E-modul) Pevnost MATRICE ÚLOHA MATRICE A JEJÍ DRUHY REAKTIVNÍ PRYSKYŘICE ÚVOD DO MECHANIKY KOMPOZITŮ DRUHY ZATÍŽENÍ Tah Tlak Smyk Ohyb MECHANISMUS PORUŠOVÁNÍ MECHANICKÉ ZKOUŠKY Zkouška tahem Zkouška ohybem II PRAKTICKÁ ČÁST ZKUŠEBNÍ TĚLESA... 50

9 5.1 PŘÍPRAVA ZKUŠEBNÍCH TĚLES STATICKÉ ZKOUŠKY PARAMETRY ZKUŠEBNÍHO STROJE ZWICK ZKOUŠKA TAHEM ZKOUŠKA OHYBEM VYHODNOCENÍ A ZPRACOVÁNÍ HODNOT ZKOUŠKA TAHEM ZKOUŠKA OHYBEM ZÁVĚR SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY SEZNAM POUŽITÝCH SYMBOLŮ A ZKRATEK SEZNAM OBRÁZKŮ SEZNAM TABULEK... 71

10 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 10 ÚVOD V současné době můžeme sledovat prudký rozmach výroby kompozitních materiálů a jejichaplikací v konstrukčních prvcích, automobilovém, chemické a leteckém průmyslu. Díky netradičnosti kompozitních materiálů a poměrně krátkodobé zkušenosti s jejich používáním je nezbytné, aby konstruktéři a designéři zohlednili jejich odlišné chování při zatížení a zároveň zpracovatelskou technologii výroby těchto materiálu, která významným způsobem ovlivňuje jejich výslední vlastnosti. Nejznámější odlišností kompozitních materiálu s polymerními matricemi je skutečnost, že výslední vlastnosti těchto materiálu se ovlivňují zejména zpracovatelskou technologii výroby. Obrovskou výhodou kompozitních materiálu s polymerními matricemi je možnost měnit jejich elastické vlastnosti a pevnost změnou prostorového uspořádání výztuže, jejího druhu (roving, rohož, tkanina, atd.), poměr mezi obsahem výztuže, pojiva a technologie výroby. Použitím stejných komponent (sklo, pryskyřice) můžeme tedy efektivně vyrobit velkou škálu odlišných materiálů. Tato možnost u tradičních materiálů jako ocel prakticky neexistuje nebo je velmi omezená. Jestliže má konstruktér ve svém návrhu použít kompozitní materiály místo tradičního materiálu, musí z výše uvedených důvodů znát alespoň základní vztahy dovolující kvantifikovat závislost modulu pružnosti kompozitních materiálu na obsahu výztuže, její prostorové orientaci a typu. To mu umožní kvalifikovaně se orientovat v nabídce kompozitů a snížit na minimum pravděpodobnost neúspěchu. Bakalářská práce se v úvodu věnuje problematice kompozitních materiálu, jejich významným odlišnostem od tradičních materiálu a také základními zpracovatelskými technologiemi výroby, typy vláken a pryskyřic jako nejvýznamnějších složek těchto materiálu. V experimentální části je popsaný postup výroby zkušebních vzorků pro následné studium vlivu orientace výztuže na pevnostní charakteristiky sklo/polyesterového laminátu vyrobeného technologii ručního kladení s následním zavákuováním pro zabezpečení dokonalého stlačení jednotlivých vrstev laminátu a zamezení vzniku nedokonalostí, které vznikají při klasickém ručním laminovaní. V závěru je zhodnocení námi naměřených výsledku při namáháni v tahu a tlaku v třech směrech: ve směru vláken (L), napříč směru vláken (T) a pod uhlem 45 ke směru vláken.

11 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 11 I. TEORETICKÁ ČÁST

12 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 12 1 Kompozitní materiály 1.1 Definice Pod pojmem kompozitní materiály rozumíme heterogenní materiály složené ze dvou nebo více fází, které se vzájemně výrazně liší svými mechanickými, fyzikálními a chemickými vlastnostmi. Pro kompozitní materiály je dále charakteristické, že se vyrábějí mechanickým mísením jednotlivých složek. Tím se liší např. od slitin, které jsou rovněž heterogenní. Pro kompozitní materiály je charakteristický tzv. synergismus, což znamená, že vlastnosti kompozitu jsou vyšší, než by odpovídalo pouhému poměrnému sečtení vlastností jednotlivých složek. Existence synergismu je velmi významná, neboť vede k získávání materiálů kvalitativně zcela nových vlastností. Typickým příkladem synergického chování je kompozit složený z keramické matrice vyztužené keramickými vlákny. I když jsou jak matrice, tak vlákna samostatně velmi křehké, výsledný kompozit je charakteristický určitou mírou houževnatosti, tzn. odolností proti náhlému křehkému porušení. Existence synergismu je velmi významná, neboť vede k získávání materiálů kvalitativně zcela nových vlastností. [11] Obrázek 1 Tahový diagram [7]

13 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická Obecná charakteristika kompozitu Pevnost a tuhost kompozitního materiálu závisí v rozhodující míře na pevnosti a tuhosti vláken. Vlákna a jejich orientace výrazným způsobem ovlivňují také další mechanické vlastnosti kompozitu. Plasty vyztužené vlákny obsahují konečná nebo nekonečná 3,5 až 24 µm silná vyztužující vlákna ze skla, uhlíku nebo aramidu a matrici z termosetu nebo termoplastu. Jednotlivé složky jsou vybírány individuálně. U vyztužených plastů se v mnoha případech požaduje cílené vyztužení ve směru namáhání, takže výsledkem je na rozdíl od kovů nebo nevyztužených plastů anizotropní materiál, tj. materiál vykazující v různých směrech rozdílné vlastnosti. Vstřikované plasty vyztužené krátkými vlákny se často řadí mezi vyztužené plasty, protože technologie zpracování, která je obdobná jako u nevyztužených plastů, pouze omezeně ovlivňuje požadovanou anizotropii. Avšak 90% všech vyztužených plastů se skládá ze směsi dlouhých skleněných vláken a polyesterových nebo vinylesterových pryskyřic. Z aplikačního hlediska je většina vyztužených plastů uspořádána vrstevnatě a je nazývána lamináty. Tento materiál má řadu výhod, ale i nevýhod, které ovlivňují jeho uplatnění na trhu. Mechanické vlastnosti jednotlivých vrstev se mohou výrazně lišit, zejména v závislosti na druhu, orientaci, obsahu a tloušťce vláken výztuže. Protože složení a pořadí jednotlivých vrstev je libovolně volitelné, je možno v projekční fázi předem zvolit vhodné složení, a tím i vlastnosti laminátu. Výhodou tohoto postupu je, že se vlastnosti takového laminátu mohou relativně dobře vyzkoušet.[2] Výhody laminátů: vynikající odolnost proti korozi v širokém spektru agresivních prostředí nízká měrná hmotnost (4x lehčí než ocel) snadná údržba vysoká tvarová komplexnost relativně snadno dosažitelná vynikající tepelné a elektrické izolační vlastnosti zanedbatelné ztráty elektromagnetického záření (kryty telekomunikačních a radarových antén)

14 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 14 snadné probarvení v objemu, možná průsvitnost, snadné úpravy povrchu malý odpor proudění tekutin (při aplikacích v trubkách)[1] Obrázek 2 Konstrukce letadla [8] 1.3 Rozdělení kompozitů Kompozity lze rozdělit podle: Typu matrice o s kovovou matrici (MMC Metal matrix composites) o s keramickou matricí (CMC Ceramic matrix composites) o s polymerní matricí (PMC Polymer matrix composites) druhu dispersní (zpevňující) fáze (kovová, skleněná, keramická, polymerní, monokrystalická vlákna aj.) tvaru dispersní fáze o částicové (s částicemi malými, nebo velkými) Obrázek 3 Částicová disperzní fáze o vláknové (s dlouhými nebo krátkými vlákny)

15 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 15 o strukturní (vrstvené) Obrázek 4 Vláknová disperzní fáze Obrázek 5 Strukturní disperzní fáze podle struktury matrice a dispersní fáze o nanokompozity o mikrokompozity o makrokompozity použití o vysoké pevnosti (při běžných teplotách) o žáropevné materiály specielní kompozitní materiály (např. elektromagnetické, elektrody pro odpor svařování, vysokozatěžované elektrické kontakty) [1]

16 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 16 Obrázek 6 Rozdělení kompozitů [9] Rozdělení vláknových kompozitů Z důvodů jasného vymezení pojmů je rozumné rozdělit vláknové kompozitní materiály do tříd. K tomu je možno využít celé řady kritérií. Jedním z nejčastěji používaných dělících kritérií je orientace a délka vyztužujících vláken. Z tohoto hlediska je možno dělit vláknové kompozity na: jednosměrné (vlákna jsou orientována převážně v jednom směru): o krátkovláknové (poměr délka/průměr L/D <100) o dlouhovláknové (L/D > 100 či kontinuální vlákna, tj. vlákna s délkou rovnou rozměrům celého dílce) mnohosměrné (vlákna jsou náhodně nebo pravidelně orientována dvěma či více směry) o krátkovláknové (L/D <100) o dlouhovláknové (L/D > 100) Dalším kritériem může být způsob 3D prostorového uspořádání výztuže. Podle tohoto kritéria rozdělujeme kompozity na: lamina (jedna vrstva kompozitu s tloušťkou zanedbatelnou ve srovnání se zbývajícími dvěma rozměry) lamináty ( střídání vrstev lamin s různými vzájemnými orientacemi výztuže)

17 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 17 o lamináty s tkanou výztuží (střídání vrstev vyztužujících rohoží, ve kterých jsou vlákna před prosycením pryskyřicí utkána běžnými nebo speciálními textilními technologiemi) o lamináty s netkanou výztuží (střídání vrstev vyztužujících rohoží, ve kterých jsou vlákna zpracována do roun, aniž by byla tkána) o tažené profily (komplikovanější tvary průřezu lineárních prvků s konstantním průřezem profilů s kombinací vyztužujících vláken a netkaných či tkaných rohoží,(desky, trubky, komplikované profily) o navíjené profily (kruhové nebo oválné tvary průřezu, tlakové nádoby či trubky) [3] 1.4 Technologie výroby kompozitu Výroba kompozitních materiálů zpevněných vlákny je v porovnání s výrobou běžných konstrukčních materiálů složitější a technologicky náročnější. Při výrobě složených materiálů je třeba zaručit zejména tyto podmínky: rovnoměrné uložení zpevňujících vláken ve vrstvě, možnost uložení jednotlivé vrstvy s libovolnou orientací vláken, dobré spojení vláken s matricí, možnost změny objemového množství vláken, možnost dodatečného tepelného zpracování složeného materiálu, jednoduchost a hospodárnost výroby [9] Ruční kladení (Hand lay-up) Ruční kladení se někdy nazývá i kontaktní lisování a jedná se o proces, ve kterém je nanášení pryskyřice i výztuže prováděno ručně na vhodný povrch pozitivní nebo negativní formy. Podle toho, na který povrch jsou komponenty nanášeny, je dosaženo kvality povrchu vytvrzeného kompozitního dílce. Jedná se o jednu z omezujících zvláštností tohoto výrobního procesu, totiž že pouze jedna strana výrobku má kvalitní povrch. Po položení výztuže a provlhčení pryskyřicí je připravený ruční kompozit ponechán k vytvrzení.

18 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 18 Obrázek 7 Metoda ručního kladení [7] Výhodami ručního kladení jsou především jednoduchost technologie, minimální náklady na nástroje a prakticky neomezená variabilita tvarů a velikostí. Nevýhodou je nereprodukovatelnost odpadu, který lze jen těžko znovu zpracovat, relativně velký objem odpadu, náročnost na lidskou práci, pouze jeden kvalitní povrch, malá produktivita a kvalita výrobku silně závislá na zkušenosti a schopnostech pracovníka. [1] Metoda nanášení kompozitu do formy sprayem (Spray lay-up) Tato metoda spočívá v tom, že se na povrch formy nastříká katalyzovaná směs krátkých skleněných vláken a matrice, je slisována a vytvrzena. Obrázek 8 Obrázek 9 Metoda nanášení kompozitu do formy sprayem [7] Výhodou tohoto výrobního postupu je jeho přesnost, nízká cena zařízení (cca 5-8 tisíc USD), pokud je proces automatizován je produktivita poměrně dobrá a reprodukova-

19 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 19 telnost výrobku rovněž. Nevýhodami jsou především nesnadné dosažení přesných tolerancí a vlastnosti horší než u předchozích technologií. [1] Metoda vakuového vaku (Vacuum bagging) Tato metoda je pouze zlepšením metody ručního kladení v poslední fázi vytvrzování. Tenký vzduch nepropouštějící film je položen na volný povrch ručně kladeného kompozitu, forma je evakuována a tlakem filmu dojde k vytlačení přebytečných bublin. Obrázek 10 Metoda vakuového vaku [7] Výhodami tohoto výrobního postupu je možnost připravit materiály s minimálním obsahem vzduchových bublin, umožňuje dosáhnout vyššího obsahu výztuží, všechny výhody ručního kladení jsou zachovány, je vynikající pro sendvičové struktury. Nevýhodami jsou velký obsah odpadu, vyžaduje velmi zručnou pracovní sílu a celý proces je velmi pomalý. [1] Vytvrzování v autoklávu (Autoclave) Toto je pouze tlakového pytle. Jedná se o vytvrzení kompozitu pomocí tepla a tlaku v uzavřené nádobě (autoklávu) s přesně řiditelnými parametry vytvrzování. Obrázek 11 Metoda vytvrzování v autoklávu [7]

20 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 20 Výhodami je další zvýšení obsahu výztuží, mohou být použita jádra na odlehčení kompozitů, mohou být v jednom kroku zabudovány další součásti, najednou může být vytvrzeno mnoho částí v jednom autoklávu. Nevýhodami je vysoká cena autoklávů, metoda je velmi pracná a velikost vyráběných dílů je diktována velikostí autoklávu. [1] Navíjení (Filament winding) Tato technologie je založena na kontinuálním navíjení svazku vláken či jinak upravených výztuží na kruhovou, smrštitelnou formu. Vlákna jsou navíjena buď již navlhčena pryskyřicí, nebo se provlhčují až po navinutí. Požadovaných vlastností kompozitu se dosahuje přesným uspořádáním a orientací pramenců vláken a výztuží. Vytvrzení se provádí na jádře, které je potom z vytvrzeného výrobku vyňato. Obrázek 12 Metoda navíjení [7] Výhodou je použití nejlevnější formy výztuže rovingu. Proces má poměrně velmi dobrou produktivitu a může být vysoce automatizovaný. Hodí se především pro výrobu potrubí, kolen, zásobníků paliv, velkých součástí s konkávním povrchem. Nevýhodami je vysoká cena navíjecích strojů, nesnadné odstraňování vnitřních forem a poměrně nízká produktivita u výroby tlakových nádraží, kde je nutno používat některé speciální postupy. [1]

21 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická Metoda lisování se vstřikem matrice (RTM) Tato metoda patří do skupiny metod pracujících s uzavřenou formou. Do této formy je vložena suchá výztuž (preform), forma je uzavřena a je do ní pod tlakem vstříknuta katalyzovaná pryskyřice. Vytvrzování se děje většinou při pokojové teplotě. Obrázek 13 Metoda lisování se vstřikem matrice [7] Výhodou RTM metody je to, že je možno vyrobit kompozitní díly, které mají po obou stranách dobrý povrch, přičemž například barva může být na každé straně jiná. Velmi přesně je také možno řídit tloušťkové tolerance. Vyrábí se i poměrně velké plošné výrobky. Mezi nevýhody patří nutnost velmi těžkých a drahých kovových forem, není možno dosáhnout vysokého obsahu skla, a proto jsou fyzikální vlastnosti těchto materiálů nižší než u jiných procesů a většinou se FRC díly vyrobené touto metodou nepoužívají v konstrukčních aplikacích jako nosné prvky. [1] Tažení kompozitních materiálů pultruze (Pultrusion) Tato technologie je založena na tažení svazků vláken, rohoží a tkanin pryskyřičnou lázní, kde dochází k prosycení výztuže. V následném kroku je prosycená výztuž tvarována do požadovaného průřezu a zároveň je celý kompozit vytvrzen v kontinuální vytvrzovací hlavě.

22 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 22 Obrázek 14 Metoda tažení kompozitních materiálů pultruze [7] Největšími výhodami pultruze jsou FRC velmi dobrých vlastností, prakticky neomezená variabilita tvaru průřezů, nekonečná délka vyrobeného profilu, vysoká produktivita, minimální nároky na lidskou práci, vysoký stupeň automatizace, vysoká reprodukovatelnost fyzikálních vlastností. Mezi nevýhody patří poměrně velké investiční náklady na pořízení technologie, relativně drahý provoz, nutnost velmi kvalitního řídícího systému. [1]

23 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 23 2 PROBLEMATIKA KOMPOZITŮ 2.1 Vyztužující vlákna Materiály ve formě vláken se cíleně jako konstrukční prvky používají zřídka. Zajímavou skupinou materiálů se stávají teprve v kompaktní formě, jako je tomu v kompozitních materiálech. Kompozitní vlákny vyztužené plasty se skládají jednak z vláken s vysokou měrnou pevností, příp. tuhostí, jednak z rozmanitě přizpůsobivého úložného materiálu matrice. [2] Kontinuální vlákna mohou být: skleněná uhlíková polymerní proteinová čedičová borová Druhy výztužných materiálů Následující pojmy platí pro většinu typů vláken: Příze vyrábí se spřádáním z vláken a zpracovává se dále na tkaniny, pásy a pletené výrobky Nitě (skaná příze) vyrábějí se jedno- nebo vícestupňově, skládají se z jedné nebo více přízí, které jsou společně spředeny. Zpracovávají se dále podobně jako příze (ČSN EN ISO 2078) Roving (pramenec) skládá se z 20 až 60 konců, sdružených z rovnoběžně uložených nestočených vláken nebo tažených přímo z taveniny (6 až elementárních vláken). Zpracovává se buď sekáním nebo tkaním, navíjením nebo tažením nekonečného pramence. Spředený roving vyrábí se z vláken stočených kolem podélné osy.

24 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 24 Rohože ze sekaných pramenců netkané plošné výrobky o hmotnosti 300 až Vyrábějí se z 25 nebo 50 mm dlouhých sekaných vláken nepravidelně plošně uložených. Vlákna jsou uložena do vrstev, postříkána pojivem a po vysušení v pásové sušárně spojena tak, že je možno vzniklo rohož, podobnou plsti, navíjet do rolí, které jsou připraveny pro okamžité další použití. Rohože z kontinuálních vláken skládají se z nekonečných skleněných vláken, která jsou uložena nepravidelně bez jakékoliv orientace ve smyčkách v několika vrstvách a jsou vzájemně spojena pojivem. Tvarují se lépe než rohože ze sekaných pramenců. Povrchové (závojové) rohože netkané plošné výrobky o hmotnosti 20 až 50. ze skleněných vláken nebo termoplastových vláken, které se pokládají do povrchové vrstvy laminátu s vysokým obsahem pryskyřice, aby se zamezilo vzniku trhlin. Zabraňují prorážení struktury hrubší výztuže na povrch a zesilují tenké vrstvy. Termoplastové povrchové rohože z polyetylentereftalátu (PET) nebo polyakrylonitrilu (PAN) se zvyšují odolnosti proti obrusu, jsou však při teplotě nad 40 C citlivé na hydrolýzu a mají nízkou odolnost proti rozpouštědlům. Rohože z C- a ECR-skloviny dobře odolávají kyselým a alkalickým roztokům. Stejnou nebo lepší odolnost vykazují dobře provedené tenké vrstvy gelcoaty o tloušťce 0,3 až 0,6 mm. Krátká vlákna mletá a na jednotlivá elementární vlákna rozptýlená vlákna o různé délce (0,1 až 5 mm), používaná pro vyztužení termoplastů. Tkaniny plošné výrobky z vláken nebo pramenců uložených pravoúhle v útku a osnově, které působí výztužně ve dvou směrech. Zvýšením počtu vláken v osnově vznikají rozdílné typy křížení vláken, které se nazývají vazby. [4]

25 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická Druhy vazeb Plátnová vazba jednoduchá základní vazba, jednoduché zpracování tkaniny vzhledem k dobré rozměrové stálosti a malému otřepu při řezání; Obrázek 15 Plátnová vazba [7] Keprová vazba vyšší pevnost a tuhost laminátu způsobená menším zvlněním vláken. Tkaniny jsou ohebnější, a jsou vhodnější pro tvarované prvky než tkaniny s plátnovou vazbou; Obrázek 16 Keprová vazba [7] Atlasová (saténová) vazba má menší vychýlení vláken než keprová vazba, velmi dobrou rušitelnost a z toho vyplývající vhodnost pro prostorově složité prvky. Atlasové tkaniny umožňují dosáhnout velmi hladký povrch; [4] Obrázek 17 Atlasová vazba [7] Skleněná vlákna Textilní skleněná vlákna (GF Glass Fiber) je společný název pro tenká vlákna (Ø3,5 až 24 µm) s pravidelným kruhovým průřezem, tažená z roztavené skloviny a používa-

26 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 26 ná pro textilní účely. Skleněná vlákna jsou na základě své amorfní struktury izotropní, na rozdíl od uhlíkových a aramidových vláken. Dodací formou textilního skla jsou příze, skaná příze, pramenec, rohož, sekaný pramenec a krátké vlákno. Obrázek 18 Skelná vlákna ve formě rovingu a tkací stroj používaný na výrobu kompozitů [10] o Modul pružnosti v tahu (E-modul) skleněných vláken je přibližně stejně velký jako u hliníku a činí asi jednu třetinu hodnoty oceli, pevnost v tahu je vyšší než u většiny organických i anorganických vláken a je většinou podstatně vyšší než u oceli (v kompaktní formě). Vzhledem k porovnatelně nižší hustotě skla je hodnota měrné pevnosti vláken zvláště vysoká. o Mez průtažnosti skleněného vlákna má hodnotu kolem 3 %. Deformace je přitom téměř elastická, tj. skleněné vlákno nemá viskoelastické chování jako syntetická vlákna. o Teplené vlastnosti skleněných vláken překonávají tepelné vlastnosti jiných materiálů. Ani dlouhodobé trvalé namáhání při 250 C nesnižuje hodnoty mechanických vlastností. Tepelná vodivost je naproti tomu vyšší než u ostatních materiálů, ale podstatně nižší než u kovů. o Skleněná vlákna jsou nehořlavá, tudíž ohnivzdorná. Hodí se proto pro kompozity a závěsy. o Bod měknutí E-skloviny je vyšší než 625 C. o Součinitel teplotní délkové roztažnosti skleněných vláken je nižší než u většiny konstrukčních materiálů.

27 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 27 Jednotlivá vyztužující vlákna jsou samostatně používána jen výjimečně. Ze zpracovatelských důvodů se většinou aplikují upravené produkty. Skleněná vlákna se používají pro textilní zpracování, pro vyztužování termosetů, termoplastů a lehčených plastů, pro výrobu povrchových rohoží a papíru, příp. pro další aplikace. [4] Aramidová vlákna Aramidová vlákna (AF Aramid Fiber) jsou vlákna na bázi lineárních organických polymerů, jejichž kovalentní vazby jsou orientovány podle osy vlákna; předností těchto vláken je vysoká pevnost a tuhost. Molekuly jsou navzájem spojeny vazbami vodíkových můstků. Pravidelné uspořádání fenylenových jader a amidových skupin s vazbami vodíkových můstků propůjčuje řetězcům vysokou tuhost a způsobuje současně vysokou hustotu struktury uspořádání. Orientace krystalických nadstruktur a z nich složených fibril kolísá podle modelových představ více nebo méně kolem osy vláken. To odůvodňuje rozdíl hodnot skutečného a teoretického E-modulu. Aramidová vlákna jsou na trhu ve formě pramenců, přízí, tkanin a povrchových rohoží. Obrázek 19 Aramidové vlákno [10] o Je to nejlehčí vyztužující vlákno z čehož plyne vysoká pevnost v tahu. o Je silně anizotropní, tj. jeho vlastnosti měřené ve směru vlákna se liší od vlastností měřených v příčném směru např. hodnota E-modulu měřená kolmo k vláknu je daleko nižší než hodnota měřená ve směru vlákna, podobně je tomu i u pevnosti.

28 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 28 o Mez pevnosti v tlaku ke směru vláken je výrazně nižší než mez pevnosti v tahu. Při projektování konstrukcí z aramidových vláken je proto nutno počítat s jejich citlivostí na zatížení tlakem, působícím v podélném směru. o Aramidová vlákna jsou hydrofilní, tzn. absorbují vlhkost (až do 7%). Vlhkost ovlivňuje pevnost spoje mezi vláknem a matricí, proto vlákna musí být před použitím vysušena. Absorbovaná vlhkost neovlivňuje pouze pevnost spoje vlákna s matricí, ale i pevnost vlastního vlákna. o U aramidových vláken dochází při expozici zářením s vysokou energií (např. UV záření) k výraznému poklesu pevnosti. o Aramidová vlákna jako každé organické vlákno nejsou příliš odolná, proti vysokým teplotám. Ve formě kompozitu odolávají teplotě až 300 C, neroztaví se však, a jsou proto vhodná pro protipožární obleky. o Adheze aramidových vláken k matrici je často nižší než u ostatních vláken. o Lubrikace vláken má na některé pojivové systémy změkčující účinek. V problematických případech je nutno vlákno nelubrikovat v organických rozpouštědlech. o Vytvrzené konstrukční prvky z aramidových kompozitů se obtížně obrábějí. Aramidová vlákna se mohou zpracovávat se všemi běžnými reaktivními pryskyřicemi i termoplasty. V laminátu lze využít až 70% jejich skutečné pevnosti, při zvláště tažné matrici dokonce ještě více. Hlavními oblastmi použití je náhrada azbestu v třecích a brzdových obloženích, výztuž pro pneumatiky, balistické aplikace a světlovodné kabely. Aramidová vlákna mají vzhledem k vysoké orientaci molekul záporný součinitel teplotní délkové roztažnosti ve směru vláken, podobně jako vlákna uhlíková. Čím je teplota vyšší, tím větší je příčná oscilace a smrštění vláken (účinek entropie). Aramidová vlákna se vyrábějí v různých druzích, které se liší navzájem hodnotami modulu pružnosti v tahu a tažností. Typy s nízkým E-modulem a vyšším protažením jsou schopny pojmout podstatně vyšší deformační práci než vlákna s vyšším E-modulem a nižší tažností. [4]

29 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická Uhlíková vlákna Uhlíková vlákna (CF Carbon Fiber) jsou technická vlákna s extrémně vysokou pevností a tuhostí, ale s nízkou tažností. Výchozí organické suroviny ve vláknitém tvaru jsou nejprve karbonizovány. Přitom se odštěpí téměř všechny prvky až na uhlík. Se stoupající teplotou, a tím se zvyšující grafitizací, zlepšují se mechanické vlastnosti. Při teplotě nad 1800 C je tvorba grafitové struktury ukončena, i když vzdálenost vrstev ve vláknech zůstává vždy větší než u vrstev v čistém grafitu. Obrázek 20 Uhlíkové vlákna a) řez uhlíkovým vláknem, b) uhlíkové vlákno ve formě rovingu, c) tkanina z uhlíkových vláken [10] o Uhlíková vlákna mají proti syntetickým vláknům progresivní deformační chování, tzn. se zvyšujícím se zatížením stoupá hodnota E-modulu; o Vysoká pevnost i hodnoty E-modulu až do teploty 500 C o Nízká hustota o Mimořádně vysoká korozní odolnost (neodolávají pouze silně oxidačnímu prostředí) o Dobrá elektrická a tepelná vodivost o Snášenlivost s tělesnými tkáněmi, lze je použít jako implantáty (umělé kyčelní klouby) o Uhlíková vlákna jsou ve srovnání se skleněnými vlákny silně anizotropní o Anizotropie ovlivňuje také součinitele teplotní roztažnosti, hodnoty měřené ve směru vláken a kolmo na vlákna jsou velmi rozdílné o Uhlíková vlákna jsou za normálních podmínek velmi křehká a při zpracování se snadno lámou. Proto se při zpracování povrchově upravují apretací směsí na

30 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 30 bázi epoxidové pryskyřice. Ta slouží jako ochrana při zpracování a současně jako prostředek pro zlepšení vazby mezi vláknem a matricí o Při delším skladování dochází k vytvrzení apretační povrchové vrstvy a vlákna ztrácejí ohebnost o Dobrý průchod pro záření, neodráží radarový paprsek o Uhlíková vlákna mají vysokou odolnost proti dlouhodobému dynamickému namáhání. Dynamické vlastnosti laminátu s uhlíkovými vlákny jsou lepší než u všech ostatních materiálů (např. hliníku, oceli) o I když jsou uhlíková vlákna hořlavá, je rychlost hoření kompozitu obsahujícího 90 % uhlíkových vláken velmi pomalá Uhlíková vlákna se skládají z více než 90 % z uhlíku. Mají průměr mezi 5 a 10 µm. E- modul a pevnost se mohou měnit v širokém rozsahu. Jsou závislé na stupni orientace uhlíkových vrstev a na výskytu vadných míst, která vznikla ve vlákně během výroby. Silná anizotropie se projevuje i na tepelné roztažnosti, která dosahuje ve směru rovnoběžném s vrstvami uhlíku, tj. u vláken ve směru osy vlákna, dokonce mírně záporných hodnot. [4] Přírodní vlákna Pro vyztužování plastů jsou ze všech přírodních vláken vhodná pouze vlákna rostlinná, která mají jako základ celulózu. Mezi ně patří len, konopí, sisal, juta, ramie a bavlna. Jejich výhodou je odolnost proti stárnutí a čichová nezávadnost při měnících se klimatických podmínkách. Pozoruhodné jsou i pevnosti v tahu. Vzhledem k nízké měrné hmotnosti jsou tato přírodní rostlinná vlákna zajímavou surovinou lehké konstrukce. [4] Jako přednosti je nutno uvést: Nízkou hustotu Malou abrazivitu při mechanickém opracování Výhodnou likvidaci spalováním Problémy působí: Závislost vlastností vláken na podmínkách jejich růstu

31 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 31 Citlivost na působení vlhkosti, Omezená možnost volby matrice vzhledem k nebezpečí rozkladu vláken při vysoké teplotě zpracování (odolnost do 200 C), Nákladná předběžná úprava pro zlepšení vazby s matricí, Omezená délka vláken, Možnost změn vyvolaných biologickým napadením. Tabulka 1 Porovnání mechanických vlastností přírodních a skelných vláken [4] Vlastnosti Sklo Konopí Len Juta Sisal E-modul(N.mm -2 ) Mez pevnosti v tahu (N.mm -2 ) Tažnost (%) 4 1,6 2,0 2,0 2,0 Hustota (g.cm -3 ) 2,54 1,45 1,48 ~ 1,4 1, Porovnání vláken Vlastnosti vláken lze porovnat z deformačního chování jednosměrně vyztužených laminátů (při stejném obsahu vláken), namáhaných rostoucím tahovým namáhání ve směru výztuže. Uhlíková vlákna vykazují nejvyšší hodnoty pevnosti a tuhosti. [4] Tabulka 2 Základní charakteristiky skelných, uhlíkových a aramidových vláken [4] Typ vlákna Hustota g.cm -3 Pevnost (MPa) Modul (GPa) Prodloužení (%) Relativní cena (b) Skelné 2, Uhlíkové (a) 1,78-1, ,78-1, Aramidové 1, (a) Hodnoty závisí na typu vláken (standardní, střední a vysokomodulové) (b) Relativní cena uhlíkových a aramidových vláken představuje příslušný násobek relativní ceny skelných vláken

32 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 32 Obrázek 21 Porovnání ceny vláken [7] 2.3 Úloha vlákna v kompozitním materiálu Vyztužením se rozumí zvýšení pevnosti a tuhosti, které vznikne uložením výztuže do základního materiálu (matrice), přičemž musí být splněny tyto podmínky: vyztužující vlákna musí být pevnější než matrice: σ fp > σ mp, vyztužující materiál musí mít vyšší tuhost než matrice: E f > E m matrice se nesmí porušit dříve než vlákno: ε mp > ε fp kde je E m, příp. E f modul pružnosti matrice, příp. vlákna v tahu, ε mp, příp. ε fp mezní prodloužení (tažnost) matrice, příp. vlákna, σ mp, příp. σ fp pevnost matrice, příp. vlákna [4]

33 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická Namáhání ve směru vláken Obrázek 22 Model elementárního vlákna uloženého v matrici [4] Z obrázku 22 kde je zobrazen jednoduchý element kompozitu zatížený silou F, lze odvodit vztah pro rovnováhu sil v případě namáhání ve směru vlákna F = F f + F m, (1) σ ǁ. A= σ f A f + σ m A m (2) a kompatibilitu deformací modelu vlákno-matrice (obě složky se ve směru podélném (ǁ) deformují stejně): = = = (3) kde je A A f, A m F l 0 l - celková plocha průřezu elementu, - plochy průřezů složek, - působící síla, - počáteční délka, - protažení (změna délky), σ ǁ, σ f, σ m - napětí v kompozitu a jeho složkách. Hookeův zákon pro jednoosou napjatost pro vlákno a matrici: =, (4) =, (5) Protože musí platit: = (6)

34 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 34 tzn. velikost napětí v jednotlivých složkách kompozitu odpovídá poměru jejich tuhostí (to platí pouze při stejných Poissonových číslech součinitelích příčné kontrakce vlákna a matrice, tj. = ). V případě skleněného vlákna a matrice z plastu odpovídá poměr jejich modulů pružnosti (( 75000, 2000 ž 3000 ) přibližně poměru jejich pevností (! = 1500,! = 40 ž 60 ). Proto jsou skleněná vlákna z mechanických hledisek pro plasty velice vhodným vyztužujícím materiálem. S ohledem na uvedený Hookeův zákon má pak rovnice rovnováhy sil tvar % = ( % + % ) (7) Vyjádříme-li pomocí Hookeova zákona napětí ve směru vlákna, které působí v elementu kompozitu, bude =, (8) tedy platí % = ( % + % ), (9) kompozit složky Pro poměrný objemový obsah vláken (podíl) platí ' = ( ) = * ) ( * (10) kde je V celkový objem elementu kompozitu, V f objem vlákna. Modul pružnosti elementu kompozitu ve směru vláken lze pak vyjádřit vztahem = * ) * + +1 * ) * - = ' +.1 ' / (11) Objemový podíl matrice 1 ' = ( 0 = * 0 = ** ) = ' ( * * (12) V praxi se snadněji stanoví hmotnostní podíl vláken 1 ).

35 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 35 Pro objemový podíl vláken ' platí ' = ) 80 (13) kde ρ f hustota; podle použitých vláken, např. ρ sklo = 2,60 9 :, ρ aramid = 1,45 9 :, ρ uhlík = 1,80 9 :. [4] Tuhost (E-modul) Zásadní vliv vlastností vláken na tuhost kompozitu lze ukázat na hodnotách modulů pružnosti jednosměrně vyztužené vrstvy. Spolupůsobení vláken a matrice v kompozitním materiálu je složité, a proto při stanovování vlastností kompozitu na základě vlastností jednotlivých složek (v nejjednodušším případě vláken a matrice) a jejich podílu a geometrického uspořádání je nutné přijmout řady zjednodušujících předpokladů. Prvek jednosměrně vyztuženého kompozitu tvoří základní (nejjednodušší) element při pevnostních a deformačních analýzách konstrukcí z vlákny vyztužených plastů. V prvním přiblížení lze předpokládat, že při namáhání tahem ve směru vláken jsou deformace matrice i vláken v tomto směru stejné. Z toho vyplývá vztah pro modul, který vlastně představuje pravidlo směsí. Předpokládáme-li, že při namáhání v příčném směru působí v obou složkách stejná napětí, pak lze dospět k vzorci pro modul. V obou případech se nebere zřetel na rozdílné hodnoty Poissonových čísel vlákna a matrice, což způsobuje značnou chybu zejména v případě modulu. Jednoduchost těchto vztahů však umožňuje názorně ukázat vliv jednotlivých složek na výsledné hodnoty tuhosti kompozitu. Obrázek 23 Základní charakteristiky jednosměrně vyztužené vrstvy [4]

36 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 36 Protože hodnoty E-modulu vláken jsou daleko vyšší než hodnoty modulu plastové matrice, závisí konečná hodnota E-modulu kompozitu zásadním způsobem na obsahu vláken a jejich uspořádání ve hmotě. Nejvyšší hodnoty E-modulu se dosáhne v případě, jsou-li všechna vlákna orientována ve směru namáhání. V příčném směru je vliv tuhosti vláken menší. V každém případě však vložení vláken do poddajnější matrice znamená zvýšení její tuhosti. Hodnoty a z obr. 23 tak u kompozitu představují hodnoty mezní. Vztah pro je možné použít pro stanovení modulu pružnosti vlákna, jsou-li známy obsah vláken φ a moduly pružnosti matrice E m a kompozitu.[4] Pevnost Pevnost v tahu vlákna lze výhodně stanovit zatěžováním pramence prosyceného pryskyřicí. Naměřené hodnoty, přepočtené na 100% objemový podíl vláken, jsou pro praktické úvahy plně dostačující. Mez pevnosti kompozitu!; ve směru vláken může být odhadnuta pomocí pravidla směsí:!; = '!; + (1 ') (14) kde je φ objemový podíl, - napětí v matrici při lomu. Protože!;,=>?í!; = '!; [4]

37 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 37 3 Matrice 3.1 Úloha matrice a její druhy Pod pojmem matrice se rozumí materiál, kterým je prosycen systém vláken a partikulárních komponent tak, že po zpracování vznikne tvarově stálý výrobek. Vzniklá surovina se označuje jako kompozit. Úkolem matrice je zaručení geometrického tvaru, zavedení a přenos sil, ochrana vláken, tj.: Přenos namáhání na vlákna, Převedení namáhání z vlákna na vlákno, Zajištění geometrické polohy vláken a tvarové stálosti výrobku, Ochrana vlákna před vlivy okolí. Zásadním hlediskem pro kvalitní kompozit je zajištění adheze na fázovém rozhraní matrice-vlákno. Pro dosažení lepší fyzikální a příp. i chemické vazby mezi vláknem a matricí se nanese na vlákno apretace vhodná pro určitý druh matrice. Matrice musí mít vhodnou viskozitu a povrchové napětí, aby vlákno smočila úplně a bez bublin. U polymerních kompozitů se matrice dělí na termosety (reaktoplasty) a termoplasty. Tabulka 3 Porovnání viskozit termoplastických tavenin a kapalných reaktivních pryskyřic při typických zpracovatelských teplotách [4] Matrice Teplota zpracování Viskozita při teplotě zpracování Nevyztužená nenasycená polyesterová pryskyřice (UP-R) vytvrzovaná za studena Nenasycená polyesterová pryskyřice (UP-R) vytvrzovaná za tepla (např. SMC pasta) 10 až 40 C Stovky MPa. s ~140 C ~1000 MPa. s Nevyztužená epoxidová pryskyřice (EP-R) vytvrzovaná za tepla např. 130 C Stovky MPa. s Polypropylen (PP) 200 až 270 C 10 3 Pa. s Polyéteréterketon (PEEK) ~350 až 400 C 10 3 až 10 4 Pa. s

38 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 38 Původně se pro kompozity používaly pouze vyztužené nenasycené polyesterové (UP- R) nebo epoxidové (EP-R) pryskyřice. Tyto reaktivní pryskyřice tvoří i dnes většinu kompozitních aplikací. Mají tu přednost, že jsou ve výchozím stavu nízkomolekulární a většinou při normální teplotě v tekutém stavu. I v případě, že jsou zpracovány ve formě taveniny, je jejich viskozita nižší než viskozita taveniny termoplastů. Viskozita reaktivních licích pryskyřic se pohybuje při teplotě zpracování ve stovkách MPa. s, zatímco u termoplastů dosahuje hodnot 10 3 až 10 5 MPa. s [4] 3.2 Reaktivní pryskyřice Reaktivní pryskyřice tvoří skupinu termosetů nejčastěji používanou při výrobě kompozitů. Jsou to kapalné nebo tavitelné pryskyřice, které se buď samostatně, nebo za pomoci jiných složek tvrdidel, tj. iniciátorů, katalyzátorů, urychlovačů, aldehydů (fenolů) apod. vytvrzují polyadicí nebo polymerací bez odštěpení těkavých složek (ČSN ). Reaktivní pryskyřice nazýváme také licí, laminační, impregnační, prosycovací nebo zalévací (elektro) pryskyřice. Mezi nejdůležitější typy reaktivních pryskyřic patří: Nenasycené polyesterové pryskyřice (UP-R) jednou jejich složkou je nenasycená karbonová kyselina (většinou vícesytná) a nejméně jednou další složkou je alkohol (nejčastěji vícemocný). Pryskyřice je rozpouštěna v monomerním rozpouštědle (často ve styrenu), se kterým je kopolymerizovatelná. Vinilesterové (VE-R) nebo fenakrylátové (PFA-R) pryskyřice z fenylových nebo fenylenových derivátů jako koncovou skupinu řetězce mají esterifikovanou kyselinu akrylovou. Pryskyřice je rozpouštěna v monomerním rozpouštědle (často ve styrenu), se kterým je kopolymerizovatelná. Epoxidové pryskyřice (EP-R) obsahují dostatečné množství epoxidových skupin potřebných pro vytvrzení. Fenolické pryskyřice vyrábějí se kondenzací fenolů a vodných roztoků aldehydů. Metakrylátové pryskyřice (MA-R) vyrábějí se z polymerizovatelné směsi polymerních a monomerních esterů kyseliny metakrylové.

39 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 39 Izokyanátové pryskyřice obsahují dostatečné množství izokyanátových skupin potřebných pro vytvrzení. Reaktivní pryskyřice se vytvrzují smíchání s tvrdidly. Mezi nejdůležitější tvrdidla patří iniciátory a urychlovače, ale také aldehydy (fenol). Tvrdidla jsou sloučeniny, které iniciují katalyticky polymerizaci pryskyřic MA-R, UP- R, VE-R nebo FA-R, příp. ovlivňují vytvrzování v průběhu polyadice epoxidových (EP-R) nebo izokyanátových pryskyřic. Urychlovače jsou látky, které přidány v malém množství urychlují síťovací reakci. [4]

40 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 40 4 Úvod do mechaniky kompozitů 4.1 Druhy zatížení Existují čtyři základní druhy namáhání, kterým každý kompozit musí odolávat: tah, tlak, střih a ohyb. Obrázek zobrazuje tahové napětí aplikované na kompozitní materiál. [7] Tah Reakce kompozitu na tahové napětí je velmi závislá na tuhosti a síle vyztužujících vláken než na samotné matrici. [7] Obrázek 24 Tahové napětí aplikované na kompozitní materiál [7] Tlak V případě tlaku jsou adhezivní a vyztužující vlastnosti pryskyřice zásadní. Pryskyřice udržuje vlákna pohromadě a brání zborcení. [7] Obrázek 25 Tlakové napětí aplikované na kompozitní materiál [7] Smyk Při tomto druhů namáhání se snaží sousední vrstvy klouzat jedna po druhé. Při tomto druhu namáhání zastává pryskyřice hlavní funkci přenáší napětí napříč celým kompozitem. Pokud má kompozit dobře odolávat smykovému napětí musí jednotlivé elementy pryskyřice vykazovat dobré mechanické vlastnosti, ale také vysokou adhezi k vyztužujícím vláknům. [7]

41 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 41 Obrázek 26 Smykové napětí aplikované na kompozitní materiál [7] Ohyb Ohybové namáhání je kombinací tahového, tlakového a smykového namáhání. Při zatížení kompozitu jako na obrázku (Obr. 27) je horní část namáhána tlakem, zatímco spodní část je namáhána tahem. Smykové napětí působí v centrální části. [7] Obrázek 27 Ohybové napětí aplikované na kompozitní materiál [7] 4.2 Mechanismus porušování U laminátů zatížených víceosým namáháním existuje větší nebezpečí vzniku mezivláknového poškození než u jednosměrně vyztužených vrstev při namáhání ve směru vláken. Vznik poškození závisí na druhu zatížení. Nepravidelnosti v uspořádání vláken, vzduchové bubliny, nedostatky v adhezním spojení složek se projevují jako koncentrace protažení a napětí. Podle druhu zatížení lze očekávat vznik tvorby různých typů trhlin, jak je znázorněno na obr. 28

42 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 42 Obrázek 28 Vznik trhlin v matrici v mikrostruktuře jednosměrně vyztužené vrstvy kompozitu [4] a) zatížení tahem podél vláken, vrubový násobný lom matrice při ǫ mp < ǫ fp b) zatížení tahem podél vláken, lom vláken při ǫ mp > ǫ fp c) mezivláknové trhliny pod úhlem 45 při smykovém zatížení, zastavené u vláken nebo působící jako příčina mikroodtržení podél vláken d) mezivláknové trhliny pod úhlem +-45 při střídavém smykovém napětí vedou k rychlejšímu rozvolnění e) mezivláknové trhliny a odtržení vlákna od matrice v rozhraní při zatížení tahem ve směru kolmo k vláknům U jednosměrně vyztužených materiálů může dojít dle tažnosti jednotlivých složek k různým mechanismům poškození v závislosti na druhu namáhání. V případě tahu lze rozlišit tyto případy: při stejné tažnosti matrice! a vlákna! nastává převážně porucha tvořením jednotlivých trhlin; při rozdílných tažnostech! <! a! >! mohou v závislosti na objemovém podílu vláken vznikat v jedné z obou komponent jak jednotlivé, tak i vícenásobné trhliny vedoucí k porušení. Také v případě, že je tažnost samotné matrice vyšší než tažnost vláken, lze její velikost snížit pod velikost tažnosti vláken přidáním plniv.

43 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 43 Při rázovém namáhání závisí forma poškození na velikosti namáhání. Při nižší energii rázu vznikají trhliny v jednotlivých vrstvách. Počet příčných trhlin je u křehké matrice vyšší než u tažné. Je-li rázová energie dále zvýšena, vznikají navíc kromě příčných trhlin dobře znatelné velkoplošné delaminace podél jednotlivých vrstev vláken. Delaminace jsou ve spodních vrstvách největší. Od spodní strany vzorku k horní se rozloha delaminací zmenšuje. Energie potřebná ke vzniku tohoto typu porušení bývá nazývána energií iniciující delaminaci. Možnost vzniku značně různorodého poškození ztěžuje spolehlivou předpověď způsobu porušení této skupiny materiálů. Proto existuje mnoho návrhů a postupů, jak lze mechanismy porušení kompozitu popsat, vypočítat a předem stanovit. Chování při porušení jednosměrně vyztužené vrstvy se odráží také v chování při přetvoření laminátů s rohoží a textilní tkaninou. Opět jde o svazky vláken, které jsou zatíženy ve směru vláken a kolmo ke směru vláken, resp. smykem. Při zatížení tahem vykazují elementy vláknitého kompozitu lineární chování ve směru vláken, ve směru kolmo k vláknům je přetvoření menší a kompozit se poruší vlivem vrubových napětí, koncentrace protažení nebo nedostatečné adheze. Při zatížení tahem se kompozit deformuje zprvu lineárně, na příčně uložených vláknech vznikají první poruchy adheze a nepatrně klesá tuhost kompozitu. Se zvětšujícím se zatížením příčné porušení je častější, zatímco podélná vlákna jsou stále nosná. Diagram napětí-deformace se tak vyznačuje dvěma lineárními úseky (první je strmější, druhý méně strmý) a úsekem s přechodem, označovaným jako zlom (knee).[4] Obrázek 29 Průběhy napětí-deformace stanovené na pěti vzorcích SMC materiálu [4]

44 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická Mechanické zkoušky Z hlediska doby a způsobu působení síly se mechanické zkoušky dělí na krátkodobé a dlouhodobé zkoušky a na jednorázové a cyklické zkoušky. Jelikož kompozitní materiály jsou velmi variabilní v chemické i morfologickém složení, není možné určit pro všechny materiály jednotné podmínky, při kterých se mají jednotlivé zkoušky uskutečňovat a příslušné normy obyčejně upravují tyto podmínky jen rámcově. Výběr konkrétních podmínek pro konkrétní zkoušku a materiál je obyčejně ponechán na odborném uvážení konstruktéra. Největší skupinu zkušebních postupů na testování mechanických vlastností představují metody zkoumající vliv působení vnější síly na deformaci zkušebního tělesa. [10] Zkouška tahem Princip tahové zkoušky je velmi jednoduchý na zkušební těleso se působí silou v tahu až do jeho přetrhnutí, přičemž se snímá síla a deformace (v případě tahu prodloužení) v různých stádiích zkoušky. Základní parametry, které se při zkoušce tahem stanovují, jsou pevnost, prodloužení při přetrhnutí a moduly, avšak ne pro všechny polymery mají tyto parametry stejný význam. Značné rozdíly je možno při tahových zkouškách pozorovat v závislosti na charakteru polymeru (plasty, kaučuky, kompozity apod.). Při tahové zkoušce je zkušební těleso upnuté do čelistí trhacího stroje, postupně se konstantní rychlostí natahuje, přičemž s rostoucí deformací roste síla, která je potřebná na udržení konstantní rychlosti posunu čelistí. S rostoucí sílou roste ve vzorku napětí (tj. síla vztáhnutá na jednotku průřezu vzorku) podle rovnice 15: = C (15) * Závislost napětí na velikosti deformace se nazývá tahová křivka a její tvar závisí od typu namáhaného (zkoušeného) materiálu. Pokud kaučuky obyčejně poskytují vysoké hodnoty deformace při malých napětí, naopak plasty, zvláště vysokokrystalické, nebo pod teplotou T g vykazují už při malých prodlouženích vysoké napětí. Při sestrojování tahových křivek a výpočtu napětí v okamžiku deformace nastává problém, protože vlivem deformačních změn dochází ke změně průřezu zkušebního tělesa. Při určitém zjednodušení je možné znázornit změny v geometrii vzorku

45 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 45 podle obrázku 30 (l 0 je původní délka zkoušeného tělesa; b 0 je původní šířka zkoutělesa; l, b, h jsou tyto šeného tělesa; h 0 je původní výška zkoušeného zkušebního veličiny po deformaci). Obrázek 30 Změna geometrie vzorku při tahové zkoušce [10] Působením síly dochází k deformaci tělesa, přičemž se těleso prodlouží na délku l, výška se sníží na hodnotu h a šířka na hodnotu b. V důsledku změny výšky a šířky vzorku se původní průřez vzorku A 0 = b 0.h 0 změní na průřez A = b. h, čímž se při stejné síle zvyšuje napětí oproti napětí, které bylo ve vzorku při původním průřezu A 0. Relativní změna nice 16): délky zkoušeného tělesa se nazývá relativní prodloužení (rov- = = (16) a relativní změna průřezu se obdobně vyjadřuje relativním zkrácením šířky E a nebo výšky vzorku D podle rovnic 17: E F F, D D D (17) Vztah mezi relativním prodloužením a relativním zkrácením se nazývá Poissonův poměr ν (rovnice 18): G H G I G J G I (18) Z hlediska deformačního chování se při tahové zkoušce nejčastěji vyhodnocuje repracovní části tělesa. lativní prodloužení, vyjadřované v procentech původní délky Při malých deformacích vzorku (malých hodnotách relativního prodloužení) je možno změny v průřezu vzorku zanedbat, avšak při vyšším stupni deformace do- σ. Smluvní chází k odchylkám efektivního napětí ( K ) od smluvního napětí napětí

46 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 46 je definované jako poměr působící síly na původní průřez vzorku před zkouškou (A 0 ) a efektivní napětí jako poměr působící na skutečný průřez vzorku odpovídající danému stupni deformace. Rozdíl v tvaru tahové křivky vypočítané pro smluvní a skutečný průřez vzorku je znázorněný na obrázku 32. Obrázek 31 Průběh tahových křivek: a pro efektivní napětí, b pro smluvní napětí [10] Nejčastější parametry, které se z tahových křivek stanovují jsou napětí při přetrhnutí, které se nazývá pevnost v tahu a relativní prodloužení při přetrhnutí, nazývané v běžné praxi jako tažnost. Kromě toho je možné z počáteční části tahové křivky, kterou je možno považovat za lineární, nebo ji lineárně aproximovat, vyhodnotit konstantu úměrnosti mezi napětím a deformací, která se nazývá Youngův modul pružnosti E, definovaný Hookovým zákonem (rovnice 19): (19) Z Hookova zákona se dá odvodit jednotka modulu pružnosti, která je totožná s jednotkou napětí MPa. Hodnota modulu pružnosti vyjadřuje tuhost materiálu. Čím je hodnota Youngova modulu vyšší, tím je materiál tužší, to znamená, že na malé změny v prodloužení je potřebné vyvinout vysoké napětí. [10] Zkouška ohybem Při ohybové zkoušce je ve zkušebním tělese napětí rozloženo kontinuálně, přičemž na vnějším ohybu je maximální hodnota napětí v tahu, které postupně v průřezu vzorku klesá, přechází přes neutrální osu, za kterou postupně narůstá napětí v tlaku, které dosahuje maximum na povrchu vnitřní strany ohybu zkušebního tělesa. Kvůli geometrickým rozdílům při zkoušce ohybem a kvůli uvedeném rozložení napětí ve

47 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 47 zkušebním tělese při zkoušce, hodnoty napětí a modulu nemohou být jednoduše porovnatelné s hodnotami z tahové zkoušky. Obrázek 32 Schéma tříbodového ohybu [10] Zkouška ohybem pro plasty je předmětem normy STN ISO 178 ( ) (Plasty, Stanovení ohybových vlastností). STN ISO 178 je určená pro širokou škálu plastů, avšak pěnové a sendvičové materiály jsou z této normy vyňaty. Podle této normy je přípustné jen tříbodové uspořádání. Z důvodů změny charakteru napětí v průřezu vzorku z tahu na tlak, napětí a deformace je definovaná jen pro vnější povrch ve středním bodě rozpětí tělesa daného dvěma vnějšími opěrnými body. Zkušební těleso norma předepisuje ve tvaru pravoúhlého hranolu o rozměrech 80x10x4 mm. Pokud je nutné použít těleso jiných rozměrů, musí být dodržen poměr délky tělesa k výšce 20. Vzájemný poměr výšky a šířky tělesa upravuje D norma v závislosti od výšky tělesa a typu testovaného materiálu. Před zkouškou se změří uprostřed všech těles výška a vypočítá se průměrná výška hm. Vzdálenost krajních opěrných bodů se potom na přístroji nastaví tak, aby platil vztah 20: N16 h (20) Pro speciální případy, které jsou v normě definované, je možné toto pravidlo porušit. Například pro měkké plasty může být tento poměr vyšší, aby se zabránilo vtlačení opěrných bodů do tělesa. Také pro lamináty vyztužené vlákny může být tento poměr vyšší, aby se zabránilo delaminaci kompozit v průběhu zkoušky, nebo může být tento poměr snížení při velmi tenkých vzorcích. Po uložení tělesa do čelistí se spustí pohyb stroje předepsanou rychlostí. Preferovaná je rychlost, která poskytuje rychlost deformace 1% za minutu. Zaznamená se křivka napětí deformace, přičemž pro napětí v ohybu platí vztah 21:

48 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 48 :CO FD P, C QDR O P (21) Kde F je síla v N, L je rozpětí vnějších opěrných bodů, b je šířka zkušebního tělesa, h je výška zkušebního tělesa a s průhyb odchylka povrchu zkušebního tělesa ve středu rozpětí oproti výchozí poloze. [10]

49 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 49 II. PRAKTICKÁ ČÁST

50 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 50 5 Zkušební tělesa 5.1 Příprava zkušebních těles Zkušební tělesa jsem připravil technologií ručního laminování s následným stlačením všech vrstev pomocí vakua. Na neseparovanou formu byla položena tkanina z jednosměrně orientovaných vláken. Při výrobě nebyl použit gel-coat. Po jejím prosycení pryskyřicí válečkem byla položena druhá vrstva tak aby byl dodržen směr orientace vláken. Po prosycení druhé vrstvy byla položena třetí vrstva s totožnou orientací vláken. Čtvrtou vrstvu tvořila odtrhová tkanina a pátou vrstvu odsávací tkanina na přebytečnou pryskyřici. Takto připravená forma se po obvodu celá vzduchové zaizolovala a všechen vzduch byl odsán. Po vytvrdnutí byl výrobek odformován a následně rozstřihán na jednotlivé zkušební vzorky. Obrázek 33 Příprava zkušebních těles Rozměry zkušebních jsou dle normy ČSN ISO délky 150mm, šířky 30mm a tloušťky přibližně 0,5mm pro zkoušku tahem. Pro zkoušku ohybem jsem zvolil tělesa o délce 100mm, šířce 20mm a tloušťky totožné s tělesy pro zkoušku tahem.

51 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 51 6 Statické zkoušky V praktické části se zabývám tahovou a ohybovou zkouškou. Obě zmíněné zkoušky byly prováděny na přístrojích v laboratoři UTB. Tahová i ohybová zkouška byly prováděny na přístroji ZWICK Přístroj je propojen s osobním počítačem, který je vybaven zkušebním programem TestXpert. Tento program umožňuje snadné měření a vyhodnocení sledovaných veličin. Všechny zkoušky byli provedeny při rychlosti 10 mm/min. 6.1 Parametry zkušebního stroje ZWICK Celková výška: 2012mm Celková šířka: 630mm Strojová výška: 2184mm Pracovní šířka: 420mm Rozpětí běžných čelistí: 15mm Hmotnost: 150kg Maximální zkušební síla: 100kN 6.2 Zkouška tahem Pevnost v tahu byla stanovena jako síla potřebná k přetržení vzorku zkoušeného laminátu. Testována byla pevnost ve směru rovnoběžném se směrem vláken (směr L), kolmo na směr vláken (směr T) a při uložení pod 45 úhlem. Každá série měření byla provedena na třiceti vzorcích. Celkový počet vzorků byl tedy devadesát. Program TestXpert vyhodnotil naměřené údaje. Pro každý vzorek kompozitu je vyhodnocena tabulka obsahující rozměry vzorku (tloušťku a 0 a šířku b 0 ), maximální dosažené napětí δ m, poměrné prodloužení ǫ při působení maximální síly ǫf max, napětí při přetržení δ b, prodloužení při přetržení ǫ break a modul pružnosti v tahu E. Odečítání prodloužení bylo prováděno pomocí extenzometru, který pracoval se základní délkou l 0 = 20mm

52 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 52 Tabulka 4 Zkouška tahem - směr L Č. měř. a 0 [m b 0 [mm] δ m [MPa] ɛf max [%] δ b [MPa] ɛ break [%] E [MPa] 1 0,51 30,03 483,52 1,39 449,07 1, ,17 2 0,51 29,69 501,99 1, , ,69 3 0,49 29,86 515,79 1,38 515,79 1, ,59 4 0,54 30, ,29 442,76 1, ,19 5 0,52 30,01 496,31 1,29 476,01 1, ,71 6 0,53 30,05 504,14 1,32 504,14 1, ,84 7 0,55 29,88 483,27 1,35 476,92 1, ,84 8 0,52 29,65 505,22 1,25 498,09 1, ,23 9 0,51 29,75 481,38 1,2 481,15 1, , ,53 30,21 363,18 1,52 241,9 1, , ,53 30,13 449,17 1,24 449,17 1, , ,52 30,21 528,03 1,37 528,03 1, , ,54 30, ,36 480,49 1, , ,53 30,01 491,74 1,43 490,33 1, ,6 15 0,54 29,87 421,09 1,27 407,61 1, , ,51 29,96 448,83 1,3 448,83 1, , ,52 29,89 442,85 1,3 442,13 1, , ,52 30,01 542,99 1,36 473,12 1, , ,51 30,13 477,3 1,27 475,48 1, , ,51 30,08 508,03 1,3 477,33 1, , ,52 30,03 395,31 1,73 378,57 1, , ,53 30,22 332,98 1,33 320,7 1, , ,49 30,08 500,97 1,41 484,7 1, , ,52 30,31 424,5 1,03 417,53 1, , ,52 29,82 538,35 1,41 538,35 1, , ,51 29,75 453,71 1,19 453,71 1, , ,50 30,13 417,94 1,18 452,01 1, , ,53 30,05 386,86 1,49 77,37 0, , ,52 29,98 416,91 1,1 155,92 2, , ,53 29,97 500,65 1,38 484,78 1, ,46

53 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 53 Tabulka 5 Zkouška tahem - směr T Č. měř. a 0 [mm] b 0 [mm] δ m [MPa] ɛf max [%] δ b [MPa] ɛ break [%] E [MPa] 1 0,51 29,93 52,85 0,76 51,88 0, ,83 2 0,52 29,96 47,82 0,57 47,63 0, ,47 3 0,53 30,01 51,43 0,72 50,54 0, ,62 4 0,52 30,15 49,01 0,71 41,6 0, ,42 5 0,53 30,03 50,5 0,67 49,5 0, ,07 6 0,52 30,12 45,43 0,75 42,85 0,7 9458,24 7 0,53 29,89 48,48 0,73 47,76 0, ,6 8 0,53 29,81 49,02 0,77 48,34 0, ,05 9 0,52 29,75 47,6 0,57 42,23 0, , ,52 30,03 52,67 0,76 48,74 0, , ,53 30,08 21,82 0,78 50,78 0, , ,53 30,21 47,12 0,82 46,22 0, ,3 13 0,52 30,22 51,41 0,71 51,41 0, , ,53 30,00 46,88 0,68 46,88 0, , ,52 29,88 44,96 0,62 44,96 0, , ,53 30,09 51,72 0,79 51,72 0, ,4 17 0,52 29,85 50,03 0,78 49,79 0, , ,50 30, ,82 42,41 0, , ,51 30,14 47,59 0,72 47,57 0, ,6 20 0,50 30,18 49,17 0,84 47,67 0, , ,49 30,02 46,31 0,78 41,09 1,1 9478, ,52 30,22 53,77 0,83 52,73 0, , ,49 29,69 50,81 0,76 40,27 0, , ,52 30,12 49,95 0,82 45,36 0,8 9411,1 25 0,54 29,82 46,62 0,63 46,62 0, , ,53 29,70 42,39 0,44 41,1 0, , ,52 30,04 45,77 0,54 42,67 0, , ,48 30,05 44,2 0,47 44,2 0, , ,50 29, ,6 44,23 0, , ,51 30,05 45,9 0,62 36,8 0, ,54

54 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 54 Tabulka 6 Zkouška tahem - směr pod úhlem 45 Č. měř. a 0 [mm] b 0 [mm] δ m [MPa] ɛf max [%] δ b [MPa] ɛ break [%] E [MPa] 1 0,48 30,11 52,88 0,96 44,04 0, ,61 2 0,50 30,08 85,99 1,49 82,61 1, ,2 3 0,52 30,01 71,56 2,35 69,25 2, ,49 4 0,52 30,10 64,86 0,86 59,78 0, ,64 5 0,48 30,01 61,38 1,35 57,09 1, ,82 6 0,53 29,94 59,31 1,25 51,53 1, ,71 7 0,51 29,94 84,51 1,48 82,97 1, ,46 8 0,54 29, ,05 46,23 0, ,44 9 0,46 30,12 80,96 1,67 80,31 1, , ,49 30,03 78,11 1,56 73,4 1, , ,51 30,09 62,97 0,81 58,99 0, , ,51 30,15 54,29 1,03 54,08 1, ,4 13 0,50 29,97 55,11 1,68 51,7 1, , ,53 29,95 59,68 1,66 11,91 0, , ,53 30,02 66,77 1,59 59,85 1, , ,53 30,03 60,75 1,49 56,72 1, , ,51 29,96 62,43 1,54 57,61 1, , ,48 30,14 59,17 2,37 53,2 2, , ,47 30,18 59,84 0,8 54,88 0, , ,50 30,10 69,89 1,08 62,54 1, , ,51 30,03 57,1 1,13 55,44 1, ,1 22 0,53 30,02 64,37 1,49 14,45 0, , ,54 29,89 63,02 1,48 12,43 9, ,3 24 0,52 30,13 52,6 1,46 49,02 2, , ,51 29,99 55,96 1,78 51,21 1, ,7 26 0,53 29,92 63,82 1,56 60,06 1, , ,52 30,01 64,56 1,45 64,56 1, , ,49 30,08 61,62 2,3 59,14 2, , ,52 29,93 55,33 1,42 47,61 1, , ,48 30,13 58,11 1,74 55,3 2, ,37

55 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická Zkouška ohybem Testována byla pevnost ve směru rovnoběžném se směrem vláken (směr L), kolmo na směr vláken (směr T) a při uložení pod 45 úhlem. Každá série měření byla provedena na třiceti vzorcích. Celkový počet vzorků byl tedy devadesát. Program TestXpert vyhodnotil naměřené údaje. Parametry zkoumaného vzorku ohybovou zkouškou musí splňovat parametry udané normou ČSN EN 978. Ta udává celkovou délku vzorku a vzdálenost podpor vztažené na tloušťku laminátu. Nastavení podpor při zkoušce je znázorněno na obr. Č. obr). Obrázek 34 Nastavení podpor při zkoušce ohybem Vzdálenost podpor je šestnáctinásobek tloušťky vzorku. V našem případě je tedy vzdálenost podpor 8mm. Pro každý vzorek kompozitu s uložením vláken v podélném směru je vyhodnocena tabulka, která obsahuje rozměry vzorku (tloušťku a 0 a šířku b 0 ), maximální dosažené napětí δ m, poměrné prodloužení ǫ při působení maximální síly ǫf max, napětí při porušení δ b, prodloužení při porušení ǫ break a modul pružnosti E. Pro vzorky kompozitu s uložením vláken v příčném směru a pod úhlem 45 jsou vyhodnoceny tabulky, které obsahují rozměry vzorku ((tloušťku a 0 a šířku b 0 ), maximální dosažené napětí δ m, poměrné prodloužení ǫ při působení maximální síly ǫf max a modul pružnosti E.

56 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 56 Tabulka 7 Zkouška ohybem směr L Č. měř. a 0 [mm] b 0 [mm] δ m [MPa] ɛf max [%] δ b [MPa] ɛ break [%] E [MPa] 1 0,5 19, ,71 2,22 202,12 3, ,82 2 0,52 20,03 983,09 2,12 196,24 2, ,06 3 0,47 20, ,35 2,19 206,7 3, ,58 4 0,49 19,94 948,56 2,17 189,71 2, ,31 5 0,50 20,01 946,98 2,21 189,22 2, ,68 6 0,53 20,07 943,12 2,37 188,1 3, ,47 7 0,53 19, ,53 2,43 755,59 2, ,6 8 0,54 19,99 976,15 2,26 195,15 3, ,97 9 0,49 19,83 935,67 2,36 186,89 3, , ,49 20,11 930,63 2,3 186,09 3, , ,51 20, ,47 2,22 202,31 3, , ,53 20,02 126,36 1,48 192,03 3, , ,50 20,08 980,78 2,26 195,95 3, , ,48 19,97 958,61 2,18 191,01 3, , ,51 19, ,86 2,09 207,93 2, , ,51 20,03 937,48 2,42 187,5 3, , ,53 19,96 996,69 2,31 613,41 2, , ,48 20,09 948,36 2,33 189,51 3, , ,47 20,13 956,52 2,17 191,22 3, ,5 20 0,49 20, ,69 2,03 210,54 3, , ,51 19,98 955,41 2,13 190,92 3, , ,55 20, ,47 2,11 208,15 3, , ,52 19, ,34 2,1 209,67 3, , ,52 20,03 964,87 2,29 192,73 3, , ,50 20, ,59 2,38 123,02 4, , ,49 20, ,75 2,13 205,66 3, , ,50 19,99 955,41 2,39 190,32 3, , ,49 20, ,68 2,38 208,36 3, , ,51 19,97 948,56 2,36 189,71 3, ,9 30 0,54 20,01 982,15 2,31 199,12 3, ,02

57 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 57 Tabulka 8 Zkouška ohybem směr T Č. měř. a 0 b 0 δ m ɛf max E [mm] [mm] [MPa] [%] [MPa] 1 0,5 20,12 117,21 1, ,12 2 0,52 20,01 123,23 1, ,44 3 0,51 20,06 117,58 1, ,49 4 0,49 19,97 144,98 1, ,73 5 0,52 19,98 115,07 2, ,29 6 0,53 20,08 134,73 1, ,69 7 0,52 19,94 120,65 1, ,14 8 0,52 19,93 125,38 1, ,92 9 0,47 19,87 112,93 2, , ,53 20,09 141,38 1, , ,54 20,04 129,41 1, , ,52 20,02 138,39 1, , ,5 20,01 135,07 1,75 11, ,52 19,97 115,11 1, , ,54 19,89 143,53 2, , ,51 20,08 128,74 1, ,8 17 0,47 19,98 119,43 1, , ,48 20,07 125,02 1, , ,5 20,12 142,98 1, , ,51 20,04 114,78 1, , ,53 19,98 123,91 1, , ,53 20,07 151,65 2, , ,49 19,95 127,28 1, , ,52 20,06 134,17 1, , ,5 20,02 118,52 1, , ,51 20,04 125,37 1, , , ,21 2, , ,51 20,07 142,43 1, ,3 29 0,54 19,96 120,5 1, , ,49 20,01 137,81 1, ,11

58 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 58 Tabulka 9 Zkouška ohybem směr pod úhlem 45 Č. měř. a 0 b 0 δ m ɛf max E [mm] [mm] [MPa] [%] [MPa] 1 0,48 19, , ,45 2 0,53 20,05 417,89 2, ,64 3 0,5 20,01 296,25 1, ,8 4 0,48 19,99 228,88 1, ,66 5 0,49 19,96 125, ,04 6 0,51 20,11 352,52 2, ,95 7 0,54 20,01 203,95 1, ,52 8 0,53 19,98 292,06 2, ,53 9 0,49 19,96 328,45 2, , ,5 20,07 254,37 1, , ,54 20,03 289,63 1, , ,52 20,08 358,41 2, , , ,02 1, , ,52 19,88 199,85 1, , ,53 19,94 401,21 2, ,9 16 0,49 20,15 382,26 1, , ,48 19,98 312,28 1, , ,48 20,03 351,94 1, , ,53 20,06 291,91 1, , ,52 20,02 339,07 2, , ,51 19,87 241,63 1, , ,51 20,07 279,17 1, , ,49 19,95 308,66 1, , ,5 20,06 277,25 1, , ,53 20,13 290,31 1, , ,52 20,05 328,93 1, ,3 27 0, ,02 1, , ,49 19,99 271,43 1, , ,52 19,96 288,9 1, ,9 30 0,51 20,02 193,27 2, ,87

59 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 59 7 Vyhodnocení a zpracování hodnot 7.1 Zkouška tahem Z odečtených sil ze zkoušky tahem program testxpert vyhodnotil pro naměřené hodnoty aritmetický průměr, směrodatnou odchylku a medián. Na základě naměřených hodnot maximálního napětí δ m a modulu pružnosti E byli sestrojeny grafy porovnávající vlastnosti v závislosti na směru uložení vláken. Tabulka 10 Statistika hodnot směr L Série 1 a 0 b 0 δ m ɛf max δ b ɛ break E n=30 [mm] [mm] [MPa] [%] [MPa] [%] [MPa] x 0,52 30,01 467,4 1,33 433,63 1, ,2 s 0,014 0,165 51,43 0,13 104,97 0,3 4188,44 Me 0,52 30,02 482,325 1, ,3 1, ,25 Obrázek 35 Charakteristické roztržení při zatížení ve směru L Tabulka 11 Statistika hodnot směr T Série 2 a 0 b 0 δ m ɛf max δ b ɛ break E n=30 [mm] [mm] [MPa] [%] [MPa] [%] [MPa] x 0,517 30,02 48,57 0,7 46,18 0, ,83 s 0,014 0,159 2,78 0,11 4,06 0,14 826,84 Me 0,52 30, ,725 46,75 0, ,08

60 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 60 Obrázek 36 Charakteristické roztržení vzorku při zatížení ve směru T Tabulka 12 Statistika hodnot směr pod úhlem 45 Série 3 a 0 b 0 δ m ɛf max δ b ɛ break E n=30 [mm] [mm] [MPa] [%] [MPa] [%] [MPa] x 0,508 30,032 63,33 1,46 54,6 1, ,58 s 0,022 0,0825 9,02 0,41 17,25 1, ,83 Me 0,51 30,025 61,5 1,485 56,08 1, ,05 Obrázek 37 Charakteristické roztržení vzorku při zatížení ve směru 45

61 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 61 Vliv orientace výztuže na mez pevnosti δm δm [MPa] ,4 48,57 63,33 Směr orientace vláken Směr L Směr T Směr 45 Obrázek 38 Graf vliv orientace výztuže na mez pevnosti δ m Vliv orientace výztuže na modul pružnosti E E [MPa] , , ,58 Směr orientace vláken Směr L Směr T Směr 45 Obrázek 39 Graf vliv orientace výztuže na modul pružnosti E 7.2 Zkouška ohybem Z odečtených sil ze zkoušky ohybem program testxpert vyhodnotil pro naměřené hodnoty aritmetický průměr, směrodatnou odchylku a variační medián. Na základě naměřených hodnot maximálního napětí δ m a modulu pružnosti E byli sestrojeny grafy porovnávající vlastnosti v závislosti na směru uložení vláken.

62 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 62 Tabulka 13 Statistika hodnot směr L Série 1 a 0 b 0 δ m ɛf max δ b ɛ break E n=30 [mm] [mm] [MPa] [%] [MPa] [%] [MPa] x 0,51 20,01 955,78 2,22 228,7 3, ,57 s 0,02 0,08 164,34 0,18 131,16 0, ,56 Me 0,505 20, ,465 2,24 193,94 3, ,32 Obrázek 40 Charakteristické porušení vzorku při zatížení ve směru L Tabulka 14 Statistika hodnot směr T Série 2 a 0 b 0 δ m ɛf max E n=30 [mm] [mm] [MPa] [%] [MPa] x 0,51 20,01 128,62 1, ,01 s 0,02 0,06 10,73 0, ,74 Me 0,51 20, ,33 1, ,71 Obrázek 41 Charakteristické porušení vzorku při zatížení ve směru T

63 UTB ve Zlíně, Fakulta technologická 63 Tabulka 15 Statistika hodnot směr pod úhlem 45 Série 3 a 0 b 0 δ m ɛf max E n=30 [mm] [mm] [MPa] [%] [MPa] x 0,51 20,01 295,64 1, ,69 s 0,02 0,07 64,18 0, ,81 Me 0,51 20,01 291,985 1, ,83 Obrázek 42 Charakteristické porušení vzorku při zatížení ve směru 45 Vliv orientace výztuže na mez pevnosti δm δm [MPa] ,78 Směr L Směr T Úhel , ,62 Směr orientace vláken Obrázek 43 Graf vliv orientace výztuže na mez pevnosti δ m